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对穿越黄河管道悬空段治理措施的分析

文档作者：丁鹏张敏2 文档来源： 1．中国石油规划总院 2．中国石油安全环保技术研究院		点击数：	更新时间： 2024年07月03日
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第38卷第2期 石 ,it 程建设 79
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丁 鹏 ，张 敏2
(1．中国石油规划总院，北京 100083；2．中国石油安全环保技术研究院，北京100083)
摘 要：由于河流的冲刷作用，某穿越黄河输油管道悬空段长度达到49 m，受力状态十分危险。针对
其特定的地理位置及环境条件．提出了设置拉索的治理方案。文章通过对悬空管道治理前后应力及涡
激振动的计算分析．得出该治理方案可有效减小悬空管道应力。但还不能防止悬空管道因涡激振动产
生疲劳破坏的结论
关键词： 输油管道；涡激振动：悬空长度：应力分析
doi：l0．3969／j．issn．1001-2206．2012．02．022
某穿越黄河管道始建于1984年． 由于黄河水
流的长时间冲刷．2008年4月黄河北岸的管道已
经裸露悬空．经潜水员入水检测．悬空段长度达
49 m．如图1所示 管道使用单位对该管道的安全
状态十分担心．为保证管道的安全运行．采取了
相关措施对悬空管道进行治理
黄
图1 某舅越黄河雷遭悬空段示意
1 穿越黄河管道悬空段的治理措施
该穿越黄河输油管道为双层管加重结构．钢
管材料为16Mn．内管尺寸为D 529 mm x 7mm．外
管为D 630 mm x 6 mm 内外管的中间层注入水泥
浆，泥浆固化后密度为2 200 kg／m3．弹性模量为
60 GPa。管道操作压力为4 MPa．输送原油密度为
850 kg／m 。黄河水的密度为1 000 kg／m3．最大流速
2．0 rn／s。悬空管道在不同水流速度下发生涡激振动
的临界悬跨长度计算结果见表1
表1 悬空管道涡激振动临界跨长的计算结果
如果按当地4月黄河的最大水流速度2．0 m／s
计算．悬空管道发生涡激振动的临界悬跨长度为
35 1TI。而实际检测到的管道悬跨长度已经达到49 in．
可见。该悬空管道已处于较危险的涡激振动状态
因此．必须采取有效措施以减小管道的悬空长度
鉴于悬空管道处于黄河水道上．传统的打桩方
法无法实现 通过对穿越黄河输油管道的现状调
查．结合其特定的地理位置及环境条件．提出施加
拉索的解决方案 具体措施为：在悬空管道距黄河
北岸18 In处和36 m处各设一条拉索，拉索施加预
应力20 kN．对悬空管道进行约束．缓解悬空管道
的受力
2 悬空管道治理前后安全状态分析
通过对悬空管道治理前后应力及振动的计算分
析．对治理措施的效果进行定量评价
2．1 悬空管道治理前后应力分析
对于该悬空长度达到49 in的输油管道．考虑
悬空管道两端的约束情况．可假定悬空管道两端为
固支．对治理前后悬空管道的受力进行计算．得到
治理前、后悬空管道的弯矩图分别如图2和图3所
示．应力计算结果见表2
M =372．05
图2 治理前悬空管道弯矩分布／kN·m
80 石油工{jc建设 2012年4月
125．48
图3 治理后悬空管道弯矩分布／kN．m
表2 治理前后悬空管道受力比较
载荷- -0一 治理前lll 蠢 穗零寅 ■ 艇羞 誊 {
最大弯矩／kN·m 744．1 257_39 65．4％
最大Mises应力／MPa 343．3 203．8 40．6％
可以看出．未加固前悬空管道的最大弯矩为
744．1 kN·1TI． 加固后悬空管道的最大弯矩为
257．39 kN·m．减少了65％。
从表2可以看出．加固前悬空管道的最大
Mises应力达到343．3 MPa． 已经十分接近管道材
料16 Mn的屈服强度(351 MPa)。加固后悬空管
道最危险节点(黄河北岸管道端点)承受的应力减
小为203．8 MPa．比治理前减少了40％
由此可见．采用悬索方式的治理措施对悬空管
道的受力情况改善较大．可以防止管道悬空段的强
度破坏。
2．2 悬空管道治理前后振动分析
当垂直于管道的水流流经管道时．管道所受
的流体质点压力就从自由流动压力升高到停滞压
力．靠近前缘的流体高压促使正在形成的附面层
沿管道两侧逐渐发展．在管道最宽截面附近．附
面层从管道表面的两侧脱开。并形成两个在流动
中向尾部拖曳的剪切层。这两个自由剪切层形成
尾流的边界．并在尾流中形成一个旋涡．从而诱
发管道振动 当旋涡脱落的频率逼近管道固有频
率时．旋涡脱落的频率将与管道的固有频率连锁
在一起．紧接尾流的连锁共振把能量输送到管道，
于是造成大振幅的振动．管道在这种大振幅的振
动下．易发生疲劳破坏。因此，对于悬空管道，
应严格控制其长度．使其固有频率避开旋涡脱落
的频率。
按照DNV规定．当折算速度V =4．5时，易发
生“锁振”现象，从而诱发管道的横向涡激振动。
施加拉索的治理措施能够增加悬空管道的轴向
力．轴向力可以在一定程度上改变悬空管道的受力
情况．从而对悬空管道的振动产生影响。通过对治
理前后管道悬空段固有频率及折算速度的计算分
析．研究了治理措施对悬空管道振动参数的影响．
计算结果见表3。
表3 采取治理措施前后悬跨管道振动参数计算
赫 宥频率 ll 、_ 折算速度
； 纳 流遵 l5m，s 流速2．Om／s 流速2．5m／s
治理前 O．69 3．02 4．03 5．04
治理后 O．714 2．9l 3．89 4．86
从表3可以看出．采取治理措施前．悬空管道
固有频率为0．69 Hz．采取治理措施后固有频率为
0．714 Hz．可见．治理方案对悬空管道的固有频率
有一定影响。当黄河水流速度达到2．5 m／s时，治
理前悬空管道的折算速度为5．O4．治理后减小到
4．86．但仍然超过悬空管道发生横向涡激振动的折
算速度4．5．此时。悬空管道易发生横向涡激振动。
虽然当地4月份黄河水流速度最大为2．0 rn／s．
尚不能引起悬空管道的涡激振动现象．但随着夏季
的到来．降水增多．黄河水流速度将进一步增大，
当水流速度达到或超过2．5 s时．现有的治理方
案并不能有效缓解悬空管道的涡激振动现象．长时
间的涡激振动极可能造成管道的疲劳破坏。
3 结束语
(1)通过对穿越黄河管道悬空段治理前后的应
力分析。可以得到：治理措施对悬空管道的受力情
况改善较大．能够有效减小悬空管道的应力．防止
悬空管道发生强度破坏
f2)通过对穿越黄河管道悬空段涡激振动的计
算分析可知：治理措施对改善悬空管道涡激振动现
象作用不大．不能避免管道的疲劳失效。
(3)考虑到现有治理方案不能有效防止悬空管
道因涡激振动产生的疲劳破坏．从管道的长久安全
考虑．建议采用定向钻穿越直接更换该段管道。
参考文献：
[1】王贵春．在稳定流中海洋管道的漩涡激发振动[D]．天津：天津大
学．1987．
[21 DNV—OS—F101(2000)，Submarine Pipeline Systems[S]．
作者简介： 丁 鹏(1980一)， 男， 山东平度人，2008年毕
业于中国石油大学(华东)，获工学博士学位，主要从事管
道及储罐方面的研究工作。
收稿日期：2011-01—11

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